CN101819125B - 一种光栅结构的稳定超疏水表面设计方法 - Google Patents

Abstract

一种光栅结构稳定超疏水表面设计方法，涉及超疏水表面设计研究领域。其特征在于：首先推导出光栅结构表面的结构参数与表面的超疏水性能要求之间的关系，根据该关系确定表面的结构参数；再通过液体的工作条件计算出表面凹槽内部的液面与凹槽壁形成的接触角，同时计算液面最低点到突起顶端的距离；通过计算的接触角和距离判断液体在表面上所处的状态，若处于Wenzel状态则调整参数，以实现稳定超疏水性能。本发明从液体与微结构表面的微观接触形式角度进行考虑，通过几何分析方法实现稳定超疏水表面的设计，使设计过程直观化。

Description

一种光栅结构的稳定超疏水表面设计方法

技术领域

本发明涉及超疏水表面设计研究领域，特指一种通过对光栅微结构表面进行接触状态转换的几何分析实现稳定超疏水表面的设计方法，其适用于光栅结构稳定超疏水表面的可控设计。

背景技术

超疏水现象是水滴在表面表现出大接触角(接触角CA＞150°)的现象，而能够产生超疏水现象的表面称为超疏水表面。超疏水表面由于其特有的超疏效应，在表面自洁、表面减阻方面具有巨大的应用前景，目前已受到广泛的关注。

超疏水表面实际上是表面进行结构和性质改性处理得到的。液体在超疏水表面上具有两种接触模式：Wenzel接触模式和Cassie接触模式。1936年，Wenzel提出了Wenzel接触模式，认为液体与微结构表面接触时，与微结构的凹槽形成密切接触，从而分析出Wenzel接触角公式：

cosθ^W＝rcosθ                (1)

其中θ^W为液滴在微结构表面上处于Wenzel模式的表观接触角，r为微结构表面的粗糙度因子，是表面的真实面积与其在水平投影面积之比，θ为液滴在同种材料的光滑表面上的本征接触角。Wenzel的理论在解释粗糙表面上的较大接触角现象取得了一定的成功，但它无法解释自然界存在的更大接触角。在这个背景下，Cassie和Baxter在1944年提出了Cassie接触模式，认为液体在表面上与凹槽内部不发生接触，即超疏水表面与液体的接触界面是由液固接触和液气接触共同构成的复合接触界面，根据该复合接触界面的特征，得到Cassie接触角公式：

cosθ^C＝fcosθ+f-1            (2)

其中θ^C为液滴在微结构表面上处于Cassie模式的表观接触角，f为表面上突起部分所占表面在水平投影面积之比。以上两式奠定了超疏水现象的理论基础，但它们并没有回答如何实现超疏水现象以及如何稳定超疏水现象的问题，而这些问题对超疏水表面的工程应用具有重要意义。

在分析超疏水稳定性方面，美国西北大学的Patankar采用能量法对超疏水稳定性进行了分析，认为超疏水表面上液滴受到自身重力和外界干扰时，容易发生从Wenzel接触到Cassie接触的不可逆状态转换。可见，在制备超疏水表面时，需要考虑到表面的超疏水稳定性，使液体在表面上稳定地存在于Cassie接触模式下。LiW等在2007年通过几何分析方法分析了表面的超疏水现象稳定性，他们提出了临界深度的概念以解释深度对状态转换的影响，但他们没有深入研究临界深度的计算方法以及其他因素引起的状态转换，因此他们的研究结果存在一定的局限性。周明等的专利(申请号：200810019240.1)提出一种通过判断临界深度与结构深度之间的关系来确定微结构上的液体的超疏水状态转换条件，但他们并没有从液体与微结构壁面之间的几何位置关系角度进行讨论。

光栅结构超疏水表面是一种典型的超疏水表面，在超疏水研究领域得到广泛应用，本专利采用几何分析方法对光栅结构表面的超疏水状态转换进行分析，从临界深度的角度上修正了周明的方法，并从液体与微结构壁面之间的位置关系的角度给出超疏水状态转换理论判据，用以设计稳定光栅结构超疏水表面。

发明内容

本发明的目的是采用几何分析方法得出光栅结构表面的超疏水状态转换的理论判据，实现光栅结构超疏水表面的稳定设计。

发明的技术方案如下：

一种光栅结构稳定超疏水表面设计方法，其特征在于：首先推导出光栅结构表面的结构参数与表面的超疏水性能要求之间的关系，根据该关系确定表面的结构参数；再通过液体的工作条件计算出表面凹槽内部的液面与凹槽壁形成的接触角，同时计算液面最低点到突起顶端的距离；通过计算的接触角和距离判断液体在表面上所处的状态，若处于Wenzel状态则调整参数，以实现稳定超疏水性能。

技术方案中，表面的超疏水性能通过接触角予以表征，采用的是Cassie接触状态的接触角，即通过公式(2)进行计算，其中的f计算公式为：

$f=\frac{\mathrm{bl}}{(a+b)l}=\frac{b}{a+b}<\frac{{\cos \mathrm{\&theta;}}^{*}+1}{\cos \mathrm{\&theta;}+1}---\left(3\right)$

其中a为槽宽，b为突起宽度，l为光栅结构长度，θ^*为要求的超疏水接触角。

技术方案中，凹槽内部液面与凹槽壁之间的接触角α通过拉普拉斯的变形公式计算得到：

$\mathrm{\&alpha;}={\cos }^{-1}\frac{(P_0-P_l)a}{{2\mathrm{\&gamma;}}_{\lg }}---\left(4\right)$

其中P₀为大气压强，P_l是液体内部压强，γ_lg为液体的表面张力。基于该角度和表面的结构参数，计算微结构内液面最低点到突起顶端的距离h的计算公式为：

$h=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{\lg }}{P_l-P_0}-\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{\lg }}{P_l-P_0}\right)}^2-{\left(\frac{a}{2}\right)}^2}---\left(5\right)$

技术方案中，通过α和h来判断液体在超疏水表面上所处的状态，判断是否发生超疏水状态转换，其中的超疏水状态转换方式有两种，一种是液体沿凹槽壁滑落，一种是凹槽内部的液面与凹槽底部接触而发生状态转换。判断过程中需要用到液体在光滑表面上的前进接触角θ_A，该角度可通过接触角测量仪测量得到。若α＞θ_A，则液体在超疏水表面上不稳定，将发生从Cassie模式向Wenzel模式的状态转换，此时需要调整参数a和b，根据公式(4)，调整a使α＜θ_A，同时，调整b以保持比值a/b。若h＞h₀，其中h₀为槽深度，则根据公式(5)调整凹槽深度h₀或参数a和b以保证h＜h₀。满足以上条件后液体在超疏水表面上处于稳定的Cassie超疏水状态，实现光栅结构稳定超疏水表面的设计。

本发明具有如下技术优势：

设计过程直观易懂，易于实现，本发明从液体与微结构表面的微观接触形式角度进行考虑，通过几何分析方法实现稳定超疏水表面的设计，使设计过程直观化。

实现光栅结构稳定超疏水表面的直接可控设计，本发明建立了光栅结构超疏水表面的几何结构构参数与超疏水状态转换之间的关系，实现超疏水状态转换的直接可控设计。

附图说明

图1光栅结构形式表面

图2光栅结构表面与液体的Cassie微观接触

1液体水，2超疏水表面，3气体。

实施方式

下面结合图1和2说明本发明具体方案实施细节和工作情况。

图1为光栅结构超疏水表面2，图2为液体水1与图1的表面2处于Cassie接触模式的微观情形，在表面的凹槽部位充满气体3。图中的a、b和h₀分别为槽宽、突起宽度和槽深度。

实施例1(接触角为150°，本征接触角和前进接触角为110°，固液界面压强差为1kPa，γ_lg＝72mN/m)

根据接触角要求和公式(3)可得到公式(2)中的参数f＝0.2036。再根据公式(3)预设计出结构参数a＝100μm和b＝25.07μm。确定参数a和b后，根据液体的工作状态(液体内部压强P_l)和拉普拉斯变形公式(4)式确定液面与凹槽壁之间的夹角α＝134.0°。该夹角如图2所示，同时，采用公式(5)计算如图所示的液面最低点到突起顶端的距离h＝20.19μm。由于α＞θ_A，则液体在超疏水表面上不稳定，将发生从Cassie模式向Wenzel模式的状态转换，此时需要调整参数a和b，根据公式(4)，调整a＝50μm，则b＝12.53μm，α＝110.0°，α＝θ_A，而h＝4.480μm，若设计h₀＞4.480μm，则水在设计的表面上处于超疏水状态。

以上条件皆满足时的参数即为稳定超疏水表面的结构参数。

本专利提出的以上实施例只对技术方案进行说明，而不进行限制。

Claims (1)

1.一种光栅结构稳定超疏水表面设计方法，其特征在于：首先推导出光栅结构表面的结构参数与表面的超疏水性能要求之间的关系，根据该关系确定表面的结构参数，确定表面的结构参数的计算公式为： $f=\frac{\mathrm{bl}}{(a+b)l}=\frac{b}{a+b}<\frac{{\cos \mathrm{\&theta;}}^{*}+1}{\cos \mathrm{\&theta;}+1},$ 其中f为突起比率，a为槽宽，b为突起宽度，l为光栅结构长度，θ^*为要求的超疏水接触角，θ为要求的本征接触角；再通过液体的工作条件计算出表面凹槽内部的液面与凹槽壁形成的接触角，凹槽内部液面与凹槽壁之间的接触角α的计算公式为：

其中P₀为大气压强，P_l是液体内部压强，γ_lg为液体的表面张力，同时计算液面最低点到突起顶端的距离；凹槽内部的液面最低点到突起顶端的距离h的计算公式为： $h=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{\lg }}{P_l-P_0}-\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{\lg }}{P_l-P_0}\right)}^2-{\left(\frac{a}{2}\right)}^2};$ 通过计算的接触角和距离判断液体在表面上所处的状态，若处于Wenzel状态则调整参数实现稳定超疏水性能，若α＞θ_A，则调整参数a和b，并调整a使α＜θ_A，同时调整b以保持比值a/b；若h＞h₀，则调整凹槽深度h₀或参数a和b以保证h＜h₀，使得a＜θ_A和h＜h₀后液体能在超疏水表面上处于稳定的Cassie超疏水状态，其中θ_A为前进接触角，h₀为凹槽深度。

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